CN103644987A - 带有温度自补偿的光纤f-p腔压力传感器 - Google Patents

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刘春红
张慧君
张立喆
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本发明属于光纤传感技术领域，涉及带有温度自补偿的光纤F-P腔压力传感器。本发明带有温度自补偿的光纤F-P腔压力传感器，采用刻有光栅的光纤为传导光纤，光学F-P腔为压力敏感元件。其中F-P腔敏感元件为非本征光纤F-P腔，光纤光栅和光学F-P腔通过胶黏结或者二氧化碳激光焊接的方式连接。传感器按感压方式不同分为带有温度自补偿的侧压式光纤F-P腔压力传感器和带有温度自补偿的端压式光纤F-P腔压力传感器两种。

Description

带有温度自补偿的光纤F-P腔压力传感器
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，涉及带有温度自补偿的光纤F-P腔压力传感器。
背景技术
基于光纤Fabry-Perot（F-P）腔的压力传感器具有耐恶劣环境、抗电磁干扰等特点，适于在医疗、航空航天、桥梁建筑、高温油井和国防等领域的压力检测应用。法布里-珀罗干涉仪（Fabry-Perot Interferometer,FPI）结构的光纤传感器以其结构简单，体积小，高可靠性，高灵敏度，响应时间短，单光纤信号传输等优点受到人们普遍的关注，并成为近年来光纤传感技术及其应用研究的热点之一。
光纤F-P腔压力传感器的敏感端为光纤F-P腔，光波进入光纤F-P腔后，在两反射端面间来回反射，遵循多光束干涉的原理，形成多光束干涉光谱。在进行压力测试时，随着压力的变化，光纤F-P腔的腔长发生变化，从而引起多光束干涉光谱变化。通过软件对光谱进行采集、分析、计算，得到压力值。光纤F-P腔压力传感器的敏感元件——F-P腔是由不同的材料制作而成，不同的材料具有不同的热膨胀系数，当环境温度发生变化时，构成光纤F-P腔的材料尺寸会发生微小变化，从而引起光纤F-P腔的腔长变化，降低了光纤F-P腔压力传感器压力测量的准确性。虽然在后期的制作中，选用热膨胀系数、泊松比等特性很接近的材料来制作光纤F-P腔，降低了温度对光纤压力传感器测量精度的影响，但是，为了实现更高精度的压力参数的测量和评定，就需要将温度对光纤F-P腔的影响进行分离。需要对环境温度同时进行测量，再结合光纤F-P腔的温漂系数，采用软件计算的方式对传感器的压力测量精度进行补偿。
天津大学制作的具有光纤光栅温度补偿的光纤F-P腔传感器，采用双芯的玻璃传感器体，一个芯放置传导F-P腔干涉信号的多模光纤，一个芯放置感受温度的光纤光栅，这种方法制作的光纤传感器，采用两根光纤传导光，在解调系统中需要采用两个光源，分别对F-P腔和光纤光栅产生的干涉信号进行解调。另外天津大学还制作了双F-P腔光纤压力传感器温度自校正的传感器，这种传感器是在敏感头端采用两个F-P腔串联的方式，其中一个F-P腔感受压力和温度的变化，另外一个F-P腔只感受温度的变化，通过解调两路干涉信号，实现压力测量和温度校正。
本文设计了一种带有温度自补偿的光纤F-P腔压力传感器，这种带有温度自补偿的光纤F-P腔压力传感器是采用刻有光栅的光纤作为光纤F-P腔压力传感器的传导光纤，与光纤F-P腔压力传感器的敏感端连接，形成带有温度补偿的光纤F-P腔压力传感器。此传导光纤不仅可以作为普通的光纤来传导F-P腔产生的干涉信号，而且刻在光纤上的光栅可以实现对环境温度的测量，得到压力测试环境的温度参数，再结合不同温度下光纤F-P腔压力传感器压力—温度曲线，将温度和压力对光纤F-P腔产生的影响进行分离，实现不同温度环境下高精度的压力测量。
发明内容
本发明的目的是为了提出带有温度自补偿的光纤F-P腔压力传感器。
本发明的带有温度自补偿的光纤F-P腔压力传感器，该传感器的传感头包括光纤A1、玻璃管3和光纤B2；
光纤A1的一部分插入到玻璃管3内，光纤A1的另一部分位于玻璃管3外，作为传导光纤与外围解调设备连接；光纤A1与玻璃管3的顶端处2通过胶粘结或通过二氧化碳激光焊接；
光纤A1插入到玻璃管3内的部分刻有光栅4；
光纤B2全部插入到玻璃管3内，在玻璃管3内，光纤A1与光纤B2的端面之间形成F-P腔；光纤A1位于玻璃管3内的端面为F-P腔的一个反射端面；光纤B2位于玻璃管3内的端面为F-P腔的另一个反射端面；
上述的传感器属于侧压式光纤F-P腔压力传感器。
带有温度自补偿的光纤F-P腔压力传感器，该传感器的传感头包括膜片7、腔底9、导光光纤12和准直管10；
腔底9的顶端开有一凹槽，膜片7与腔底9通过阳极键合的方式结合在一起，膜片7与凹槽之间形成F-P真空腔8；
准直管10与腔底9的底端通过胶粘结或通过二氧化碳激光焊接；
准直管10的底端钻有喇叭孔13，喇叭孔13的内壁粘结有一层胶黏剂，导光光纤12的一部分通过喇叭孔13插入到准直管10内，导光光纤12的顶端与腔底9的下表面齐平；导光光纤12插入到准直管10内的部分刻有光栅，导光光纤12的另一部分在准直管10的外面，作为传导光纤与外围解调设备连接；
该传感器为端压式光纤F-P腔压力传感器。
有益效果
本发明带有温度自补偿的光纤F-P腔压力传感器，采用刻有光栅的光纤为传导光纤，光学F-P腔为压力敏感元件。其中F-P腔敏感元件为非本征光纤F-P腔，光纤光栅和光学F-P腔通过胶黏结或者CO2激光焊接的方式连接。传感器按感压方式不同分为带有温度自补偿的侧压式光纤F-P腔压力传感器和带有温度自补偿的端压式光纤F-P腔压力传感器两种。
附图说明
图1为实施例1中侧压式光纤压力传感器的结构示意图；
图2为实施例2中端压式光纤压力传感器的结构示意图；
图3为光纤压力传感器的反射光谱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
如图1所示，带有温度自补偿的光纤F-P腔压力传感器，该传感器的传感头包括光纤A1、玻璃管3和光纤B2；
光纤A1的一部分插入到玻璃管3内，光纤A1的另一部分位于玻璃管3外，作为传导光纤与外围解调设备连接；光纤A1与玻璃管3的顶端处2通过胶粘结或通过二氧化碳激光焊接；
光纤A1插入到玻璃管3内的部分刻有光栅4；
光纤B2全部插入到玻璃管3内，在玻璃管3内，光纤A1与光纤B2的端面之间形成F-P腔；光纤A1位于玻璃管3内的端面为F-P腔的一个反射端面；光纤B2位于玻璃管3内的端面为F-P腔的另一个反射端面；
上述的传感器属于侧压式光纤F-P腔压力传感器。
带有温度自补偿的侧压式光纤F-P腔压力传感器的制作过程为：1）将一根单模光纤或者多模光纤B2剥除涂覆层，清洗，切割，采用真空蒸发镀膜的方式，得到平整的、镀有高反射膜的光纤端面。2）选用刻有光栅的光纤A1，对其清洗、切割，得到平整的光纤端面，保证光纤端面距栅区的距离为2～3mm。3）用切割笔切割毛细玻璃管3，得到合适的长度。4）将切割好的两根光纤、毛细玻璃管水平放置在焊接平台上。调节微位移平台，使两根光纤与中间的玻璃管3轴向对准。5）调节微位移平台，使两光纤均穿入毛细玻璃管3中，其中光纤A1的栅区部分4全部插入玻璃管3中，调节两光纤端面的距离，得到所需要的光纤F-P腔5。6）采用CO2激光焊接或者胶黏结的方式，将两光纤和玻璃管密封连接，完成侧压式光纤传感器敏感端的制作。
1.选取一根刻有2mm光栅的多模光纤，将光栅前端剥除涂覆层，清洗，切割，保证光纤的栅区距离端面2～3mm，2.将一根多模光纤剥除涂覆层、清洗、切割，得到平整的光纤端面。3.选用熔融石英的毛细玻璃管，其中毛细玻璃管外径为0.3mm，内径为0.128mm，用玻璃切割笔切割毛细玻璃管，得到长度为10mm的毛细玻璃管4.将光纤具有平整端面的一端穿入毛细玻璃管的一端，另外一端穿入带有光栅的光纤，其中光纤的栅区全部进入毛细玻璃管中。5.利用微位移平台，调节两光纤端面之间的距离，调整到50～60微米。6.采用CO2激光焊接的方式，在毛细玻璃管的两端进行激光焊接，保证两端密封连接。7.将制作的传感器进行温度循环退火，从而完成了带有自补偿的光纤F-P腔压力传感器的制作。
通过此种方法制作的带有温度补偿的光纤F-P腔压力传感器，采用刻有光栅的光纤为传导光纤，在传输光纤F-P腔光谱的同时，并测量环境温度值，对光纤F-P腔压力测量值进行补偿，其结构简单，紧凑，易实现。
实施例2
如图2所示，带有温度自补偿的光纤F-P腔压力传感器，该传感器的传感头包括膜片7、腔底9、导光光纤12和准直管10；
腔底9的顶端开有一凹槽，膜片7与腔底9通过阳极键合的方式结合在一起，膜片7与凹槽之间形成F-P真空腔8；
准直管10与腔底9的底端通过胶粘结或通过二氧化碳激光焊接；
准直管10的底端钻有喇叭孔13，喇叭孔13的内壁粘结有一层胶黏剂，导光光纤12的一部分通过喇叭孔13插入到准直管10内，导光光纤12的顶端与腔底9的下表面齐平；导光光纤12插入到准直管10内的部分刻有光栅，导光光纤12的另一部分在准直管10的外面，作为传导光纤与外围解调设备连接；
该传感器为端压式光纤F-P腔压力传感器。
光栅可以实现对环境温度的测量；
带有温度自补偿的端压式光纤F-P压力传感器，其压力敏感元件是通过MEMS工艺制作的F-P腔，通过刻蚀工艺在玻璃基底上刻蚀出阵列排放的圆柱形凹槽，再将减薄后的Si膜片键合到玻璃基底上，通过划片工艺获得一个个独立的F-P腔。光纤F-P腔压力传感器的敏感端受到外界压力和温度的影响，刻有光栅的光纤通过准直管与膜片构成的光纤F-P腔相连接，形成带有温度自补偿的光纤F-P腔压力传感器。其制作方法为：1）选取刻有光栅的光纤12，对其清洗、切割，得到平整的光纤端面，其中栅区距光纤端面2～3mm，2）选取带有喇叭孔的准直管10，其中准直管的内径稍大于光纤的外径，3）将具有良好端面的光纤通过准直管10的喇叭孔，穿入到准直管10中，调节光纤12的位置，保证光纤12端面与准直管10的另外一端齐平，4）通过夹具将感压敏感端F-P腔的腔底底面与准直管10端面贴紧，采用CO2激光焊接或者胶黏结的方式将光纤12、准直管10、以及MEMS工艺制作的F-P腔8连接到一起，完成端压式光纤F-P腔压力传感器的制作。
通过上述方法制作的带有温度自补偿的光纤F-P腔压力传感器，采用刻制有光栅的光纤为传导光纤，其中光栅与感压敏感端F-P腔非常接近，可以视两者在同一个温度环境下。此光纤F-P腔压力传感器在进行压力测试时，当环境温度发生变化时，光纤F-P腔的腔长受温度和压力的双重影响。从而光纤F-P腔的反射光谱反应的为当前压力和温度的综合影响，而构成光纤F-P腔压力传感器的光纤光栅在空间中没有约束力，其反射光谱不受压力环境的影响，只因温度的改变而发生变化。
带有温度自补偿的光纤F-P腔压力传感器通过传导光纤与解调系统相连接，得到光纤F-P腔和光纤光栅的反射光谱，反射光谱如附图3所示，F-P腔的反射光谱为一正弦波，光纤光栅的反射光谱为一尖峰。采用寻峰法，对两反射光谱进行采集计算，根据光纤光栅的反射光谱，得出测试环境的温度参数，根据F-P腔的反射光谱得出测试环境的压力值，将两光谱得出的数据进行综合处理，再结合不同温度下光纤F-P腔压力传感器的压力变化曲线，分离出温度对F-P腔反射信号的影响，从而得到高精度的压力测试值。

Claims (2)

1.带有温度自补偿的光纤F-P腔压力传感器，其特征在于：该传感器的传感头包括光纤A、玻璃管和光纤B；
光纤A的一部分插入到玻璃管内，光纤A的另一部分位于玻璃管外，作为传导光纤与外围解调设备连接；光纤A与玻璃管的顶端处通过胶粘结或通过二氧化碳激光焊接；
光纤A插入到玻璃管内的部分刻有光栅；
光纤B全部插入到玻璃管内，在玻璃管内，光纤A与光纤B的端面之间形成F-P腔；光纤A位于玻璃管内的端面为F-P腔的一个反射端面；光纤B位于玻璃管内的端面为F-P腔的另一个反射端面。
2.带有温度自补偿的光纤F-P腔压力传感器，其特征在于：该传感器的传感头包括膜片、腔底、导光光纤和准直管；
腔底的顶端开有一凹槽，膜片与腔底通过阳极键合的方式结合在一起，膜片与凹槽之间形成F-P真空腔；
准直管与腔底的底端通过胶粘结或通过二氧化碳激光焊接；
准直管的底端钻有喇叭孔，喇叭孔的内壁粘结有一层胶黏剂，导光光纤的一部分通过喇叭孔插入到准直管内，导光光纤的顶端与腔底的下表面齐平；导光光纤插入到准直管内的部分刻有光栅，导光光纤的另一部分在准直管的外面，作为传导光纤与外围解调设备连接。
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